Газоразрядный счетчик гейгера мюллера сбм 20 1. Простой радиационный индикатор

Схема простого дозиметра на счетчике Гейгера-Мюллера СБМ-20

В данном обзоре приводится описание несложного и достаточно чувствительного дозиметра, регистрирующего даже незначительное бета- и гамма- излучение. В качестве датчика радиационного излучения выступает отечественный счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-20.

Внешне он выглядит как металлический цилиндр диаметром 12 мм и длинной около 113 мм. Его рабочее напряжение составляет 400 вольт. Аналогом ему может послужить зарубежный датчик ZP1400, ZP1320 или ZP1310.

Описание работы дозиметра на счетчике Гейгера СБМ-20

Питание схемы дозиметра осуществляется всего от одной лишь батарейки на 1,5 вольта, так как ток потребления не превышает 10 мА. Но поскольку рабочее напряжение датчика радиации СБМ-20 составляет 400 вольт, то в схеме применен преобразователь напряжения позволяющий увеличить напряжение с 1,5 вольт до 400 вольт. В связи с этим следует соблюдать крайнюю осторожность при налаживании и использовании дозиметра!

Повышающий преобразователь дозиметра – не что иное как простой блокинг-генератор. Появляющиеся импульсы высокого напряжения на вторичной обмотке (выводы 5 – 6) трансформатора Тр1, выпрямляются диодом VD2. Данный диод должен быть высокочастотным, поскольку импульсы достаточно короткие и имеют высокую частоту следования.

Если счетчик Гейгера СБМ-20 находится вне зоны радиационного излучения звуковая и световая индикация отсутствует, поскольку оба транзистора VT2 и VT3 заперты.

При попадании на датчик СБМ-20 бета- или гамма- частиц происходит ионизация газа, который находится внутри датчика, в результате чего на выходе образуется импульс, который поступает на транзисторный усилитель и в телефонном капсюле BF1 раздается щелчок и вспыхивает светодиод HL1.

Вне зоны интенсивного излучения, вспышки светодиода и щелчки из телефонного капсюля следуют через каждые 1…2 сек. Это указывает на нормальный, естественный радиационный фон.

При приближении дозиметра к какому-либо объекту, имеющему сильное излучение (шкале авиационного прибора времен войны или к светящемуся циферблату старых часов), щелчки станут чаще и даже могут слиться в один непрерывный треск, светодиод HL1 будет постоянно гореть.

Так же дозиметр снабжен и стрелочным индикатором — микроамперметром. Подстроечным резистором производят подстройку чувствительности показания.

Детали дозиметра

Трансформатор преобразователя Тр1 выполнен на броневом сердечнике имеющий диаметром приблизительно 25 мм. Обмотки 1-2 и 3-4 намотаны медным эмалированным проводом диаметром 0,25 мм и содержат соответственно 45 и 15 витков. Вторичная обмотка 5-6 намотана медным проводом диаметром 0,1 мм, содержит 550 витков.

Светодиод возможно поставить АЛ341, АЛ307. В роли VD2 возможно применить два диода КД104А, подключив их последовательно. Диод КД226 возможно поменять на КД105В. Транзистор VT1 возможно поменять на КТ630 с любой буквой, КТ315Б на КТ342А. Телефонный капсюль необходимо выбрать с сопротивлением акустический катушки более 50 Ом. Микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА.

Простой индикатор-сигнализатор радиоактивности (СБМ20, CD4001)

Индикатор предназначен для сигнализации о радиоактивности. Он не является измерительным прибором, показывающимуровень радиоактивности, он только предупреждает о его повышении, издавая звуковой и световой сигнал при каждом пролете радиоактивной частицы сквозь датчик – счетчик Гейгера. Здесь работает счетчик СБМ-20.

По его паспортным данным получается, что при нормальной естественной радиации должно быть не более 15-20 писков – вспышек в минуту. Если прибор пищит и вспыхивает чаще при приближении к некоторому месту или предмету, это говорит о зараженности данного места или предмета. Переход на постоянный писк говорит о существенном превышении. Как уже сказано, это не измерительный прибор, а индикатор, поэтому определить по нему значение радиоактивного уровня не возможно. Только узнать что здесь радиация выше, а здесь ниже, а здесь очень много.

Для работы счетчика Гейгера нужно чтобы на его выводы через токоограничительный резистор поступало постоянное напряжение 400V.

Обычно в схемах дозиметров и индикаторов радиоактивности применяют для питания счетчиков Гейгера источники на основе однотранзисторного блокинг-генератора. Конечно, такая схема проста, но у неё есть и недостатки – практически полное отсутствие стабилизации выходного напряжения, которое поступает на анод счетчика Гейгера.

А ведь чувствительность счетчика Гейгера напрямую зависит от напряжения между его электродами. Кроме того, есть трудности с налаживанием схемы источника высокого напряжения, потому что выходное напряжение никак не регулируется, и если его величина не соответствует необходимой, приходится перематывать вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Принципиальная схема

Поэтому здесь источник питания счетчика Гейгера сделан на схеме повышающего DC/DC преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающей регулировку выходного напряжения и его поддержание стабильным, на микросхеме МС34063 с трансформаторным выходом. Почти по типовой схеме её включения.

Интересно то, что микросхема будет поддерживать выходное напряжение 400V стабильным при значительном изменении питающего напряжения. Именно по этому данную схему индикатора радиоактивности можно питать любым постоянным напряжением в пределах от 5 до 15V. То есть, источником питания может быть и USB-порт персонального компьютера или зарядного устройства для сотовых телефонов, и напряжение 13V с разъема прикуривателя автомобиля.

Рис. 1. Принципиальная схема индикатора-сигнализатора радиоактивности на основе датчика СБМ20.

При этом чувствительность к радиации меняться не будет, что особенно важно в полевых или рабочих условиях.

Принцип работы МС34063 многократно описан в различной литературе, и останавливаться здесь на нем нет смысла. Напомню, что стабилизация осуществляется подачей пониженного резистивным делителем напряжения с выхода на компараторный вход микросхемы (на вывод 5). И от соотношения плеч этого делителя напряжения как раз и зависит величина выходного напряжения. Здесь делитель образован резисторами R3 и R1. А выходное напряжение 400V выставляется подстроечным резистором R1.

Напряжение 400V поступает на счетчик Гейгера U1 через токоограничительный резистор R5. Этот резистор нужен потому, что в ждущем состоянии сопротивление счетчика Гейгера стремится к бесконечности. Но при пролете сквозь него заряженной частицы происходит его короткий пробой, во время которого его сопротивление низко.

Нагрузкой счетчика Гейгера U1 служит резистор R6. В ждущем состоянии напряжение на нем низко, фактически на уровне логического нуля. Но при пролете сквозь U1 заряженной частицы напряжение резко возрастает, и величину его роста ограничивает только диод VD2, который не допускает его рост выше напряжения питания, плюс прямое падение на этом диоде.

В принципе, в диоде VD2 нет необходимости, потому что у микросхем серии CD40 или аналогов есть такие диоды, включенные между входами и шиной питания. Так что VD2 здесь на всякий случай.

Импульсы на счетчике Гейгера очень короткие. Если непосредственно их подать на звукоизлучатель (такие схемы бывают) звуки будут очень короткие, как одиночные щелчки, и не все из них будут достаточно хорошо слышимы. Что же касается светодиода, его мигание в таком случае вообще будет незаметно.

Чтобы информация более хорошо воспринималась органами чувств человека нужно длительность импульса растянуть, увеличить до некоторого оптимального размера. Этим здесь занимается микросхема D1 типа CD4001, на которой сделано два одно-вибратора.

Первый одновибратор на элементах D1.1 и D1.2 работает на озвучивание работы счетчика Гейгера. При возникновении импульса в U1, он поступает на вывод 1 D1.1 и схема на D1.1 и D1.2 формирует импульс, длительность которого определена RC-цепью R7-C4. Этот импульс значительно длиннее входного.

Он поступает на базу VТ1 и далее через усилитель тока на VТ1 на звукоизлучатель со встроенным генератором BF1. Раздается четко слышимый писк, а не короткий едва различимый щелчок.

Аналогично работает одновибратор на элементах D1.3 и D1.4. Но он формирует в десять раз более длительный импульс, потому что инерционность зрения человека куда более, чем слуха. Длительность этого импульса задана RC-цепью C5-R8. Импульс поступает на VТ2, в коллекторной цепи которого включен индикаторный светодиод HL1 типа АЛ307 (это может быть практически любой индикаторный светодиод).

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце внешним диаметром 28 мм (можно больше или меньше, где-то от 20 до 30 мм). Первичная обмотка – 20 витков провода ПЭВ 0,43. Вторичная обмотка – 400 витков провода ПЭВ 0,12. Сначала наматывают вторичную обмотку, потом на неё – первичную.

Между обмотками проложить тонкую фторопластовую изоляцию (например, размотанную с провода МГТФ).

Налаживание

Налаживание требуется только источнику напряжения 400V.

Устанавливаем R1 в верхнее по схеме положение. Включаем питание. Если источник не заработал сразу – поменять местами выводы одной из обмоток трансформатора.

Затем, подключаем мультиметр к крайним выводами резистора R1 и поворачивая его ползунок устанавливаем напряжение 2,65V. При наличии высокоомного вольтметра можно измерить напряжение непосредственно на выходе, на СЗ, должно быть 400V.

Счетчик Гейгера с минимумом деталей

Мастер сделал этот счетчик, для идентификации радиоактивных элементов, которые ему нужны для сбора коллекции. Единственный реальный недостаток этого счетчика в том, что он не очень громкий, и он не вычисляет и не отображает количество обнаруженного. Т.е. нельзя получить никаких фактических данных, а только общее представление о радиоактивности, основанное на количестве слышимых щелчков.

Инструменты и материалы:
-Трубка Гейгера СБМ-20;
-Повышающая цепь постоянного тока высокого напряжения демонтированная с такой мухобойки;
-Стабилитроны с суммарным значением около 400 В;
-Резисторы с общем номиналом 5 МОм (мастер использовал пять по 1 МОм);
-Транзистор – типа NPN, использовался 2SC975;
-Пьезо-динамик (может быть демонтирован из старой микроволновки или электронной игрушки);
-1 батарея AA;
-Держатель батареи AA;
-Выключатель;
-Провода;
-Заготовка из дерева, пластика или другого не токопроводящего материала, для использования в качестве подложки;
-Паяльные принадлежности;
-Клевой пистолет;
-Кусачки;
-Инструмент для зачистки проводов;
-Отвертка;

Шаг первый: теория
Счетчик Гейгера (или счетчик Гейгера-Мюллера) – это детектор излучения, разработанный Гансом Гейгером и Вальтером Мюллером в 1928 году. Сегодня почти все знакомы со звуками щелчка, которые он издает, и часто говорят, что это «звук» радиации.

Сердцем устройства является трубка Гейгера-Мюллера. Это металлический или стеклянный цилиндр, наполненный инертными газами, находящимися под низким давлением. Внутри трубки находятся два электрода, один из которых находится под высоким напряжением (обычно 400-600 вольт), а другой заземлен. Когда трубка находится в состоянии покоя, ток не может протекать между двумя электродами внутри трубки. Однако, когда в трубку попадает радиоактивная частица, такая как бета-частица, она ионизирует газ внутри трубки, делая его токопроводящим и позволяя току протекать между электродами на короткое время. Этот кратковременный ток запускает детекторную часть схемы, которая издает слышимый «щелчок». Больше щелчков означает больше излучения. Многие счетчики Гейгера также имеют возможность подсчитывать количество щелчков и вычислять счетчики в минуту, и отображать их на дисплее.

Давайте посмотрим на работу счетчика Гейгера, с другой стороны. Ключевым принципом работы счетчика Гейгера является трубка Гейгера и процесс создания высокого напряжение на одном электроде. Если пользоваться сравнением, это высокое напряжение похоже на крутой склон горы, покрытый глубоким снегом, и все, что требуется, – это крошечная энергия излучения (как у лыжника, спускающегося по склону), чтобы вызвать лавину. Последовавшая за этим лавина несет в себе гораздо больше энергии, чем сама частица.

Поскольку, вероятно, прошло много времени с тех пор, как многие из нас сидели в классе и узнали о радиации, мастер поясняет некоторые ключевые моменты.

Материя и структура атома
Вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Сами атомы состоят из еще более мелких частиц, а именно протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны собраны вместе в центре атома – эта часть называется ядром. Электроны вращаются вокруг ядра.

Протоны – это положительно заряженные частицы, электроны – отрицательно заряженные, а нейтроны не несут заряда и поэтому нейтральны, отсюда и их название. В нейтральном состоянии каждый атом содержит равное количество протонов и электронов. Поскольку протоны и электроны несут равные, но противоположные заряды, то атом нейтрален. Однако, когда количество протонов и электронов в атоме не равно, атом становится заряженной частицей, называемой ионом. Счетчики Гейгера способны обнаруживать ионизирующее излучение – форму излучения, которая может преобразовывать нейтральные атомы в ионы. Три различных вида ионизирующего излучения – это альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи.

Бета-частицы
Бета-частица – это электрон или позитрон. Позитрон похож на электрон, но несет положительный заряд. Бета-минусовые частицы (электроны) испускаются, когда нейтрон распадается на протон, а бета-плюсовые частицы (позитроны) испускаются, когда протон распадается на нейтрон.

Гамма лучи
Гамма-лучи – это фотоны высокой энергии. Гамма-лучи расположены в электромагнитном спектре, за пределами видимого света и ультрафиолета. Они обладают высокой проникающей способностью, а их способность к ионизации обусловлена тем, что они могут выбивать электроны из атома.

Трубка SMB-20, которая используется в этом проекте, – российского производства. Она имеет тонкую металлическую оболочку, которая играет роль отрицательного электрода, а металлический провод, проходящий через центр трубки, служит положительным электродом. Чтобы трубка могла обнаружить радиоактивную частицу или гамма-излучение, эта частица или луч сначала должны проникнуть через тонкую металлическую оболочку трубки. Альфа-частицы, как правило, не могут этого сделать, поскольку они обычно задерживаются стенками трубки. Другие трубки Гейгера, предназначенные для обнаружения этих частиц, часто имеют специальное окно, называемое альфа-окном, которое позволяет этим частицам попадать в трубку. Окно обычно делают из очень тонкого слоя слюды, и трубка Гейгера должна быть очень близко к источнику альфа излучения, чтобы его обнаружить.

Шаг третий: схема/монтаж
Хотя эта схема построена для трубки СБМ-20, ее можно легко адаптировать для использования других трубок. Просто проверьте конкретный диапазон рабочего напряжения и другие характеристики вашей конкретной трубки и соответствующим образом отрегулируйте. Трубки большего размера более чувствительны, чем трубки меньшего размера, просто потому, что они являются более крупными целями для частиц.

Для работы счетчика Гейгера требуется высокое напряжение. Мастер использует повышающую схему постоянного тока от электронной мухобойки, чтобы поднять 1,5 В от пальчиковой батареи до примерно 600 вольт (первоначально мухобойка работала от 3 вольт, выдавая около 1200 В. для уничтожения мух. Из такой мухобойки можно сделать электрошокер).
Рабочее напряжение СБМ-20 – 400 В, поэтому в схеме используются стабилитроны для регулирования напряжения до этого значения. Мастер использует тринадцать стабилитронов 33 В, но и другие комбинации будут работать так же хорошо, например, стабилитроны 4 x 100 В, если сумма значений стабилитронов равна целевому напряжению, в данном случае 400.
Резисторы используются для ограничения тока. Можно использовать любую комбинацию резисторов, если их значения в сумме составляют около 5 МОм.

Элемент пьезо-динамика и транзистор составляют детекторную часть схемы. Пьезо-динамик издает щелчки, а длинные провода позволяют держать его ближе к уху.

Транзистор увеличивает громкость щелчков. Можно построить схему без транзистора, но щелчки, генерируемые схемой, будут еле слышимыми. В схеме используется транзистор 2SC975 (типа NPN).

После сбора всех компонентов мастер смонтировал схему навесным монтажом и закрепил ее на пластике.

Шаг четвертый: о радиоактивных материалах
Счетчик Гейгера будет щелкать каждые несколько секунд только из-за фонового излучения, но есть несколько источников излучения, с которыми можно столкнутся и в быту.

Америций из детекторов дыма
Америций – это искусственный (не встречающийся в природе) элемент, который используется в детекторах дыма ионизационного типа. Эти детекторы дыма очень распространены. Америций в форме диоксида америция нанесен на небольшую металлическую кнопку внутри, установленную в небольшом корпусе, известном как ионизационная камера. На америций обычно наносят тонкий слой позолоты или другого коррозионностойкого металла.

Внутри ионизационной камеры детектора расположены две металлические пластины, расположенные друг напротив друга. К одной из них прикреплена кнопка с америцием, которая испускает постоянный поток альфа-частиц, проходящих через небольшой воздушный зазор и затем поглощающихся другой пластиной. Воздух между двумя пластинами ионизируется и становится, в некоторой степени проводящим. Это позволяет току течь между пластинами, и этот ток может быть обнаружен схемами дымового извещателя. Когда частицы дыма попадают в камеру, они поглощают альфа-частицы и разрывают цепь, вызывая тревогу.

Излучаемое излучение относительно мягкое, но на всякий случай мастер рекомендует:
Храните кнопку америция в безопасном месте подальше от детей, предпочтительно в каком-либо защищенном от детей контейнере.

Никогда не касайтесь лицевой стороны кнопки, на которую нанесен америций. Если вы случайно коснулись лицевой стороны кнопки, вымойте руки.

Урановое стекло
Уран использовался в форме оксида в качестве добавки к стеклу. Наиболее типичный цвет уранового стекла – бледно-желтовато-зеленый, и в 1920-х годах его называли «вазелиновое стекло» (на основании кажущегося сходства с внешним видом вазелинового масла). Количество урана в стекле варьируется от небольшого количества до примерно 2% по весу, хотя некоторые изделия 20-го века были сделаны с содержанием урана до 25%! Большая часть уранового стекла слабо радиоактивна.

Можно подтвердить содержание урана в стекле с помощью ультрафиолетового света. Все урановые стекла флуоресцируют ярко-зеленым цветом независимо от их цвета в естественном освещении. Чем ярче светится стекло в ультрафиолетовом свете, тем больше в нем урана.

Почему добавляли уран?
Открытие и выделение радия в урановой руде (настуран) Марией Кюри послужило толчком к развитию добычи урана для извлечения радия, который использовался для изготовления светящихся в темноте красок для часов и циферблатов самолетов. В результате осталось огромное количество урана в виде отходов, поскольку для извлечения одного грамма радия требуется три тонны урана.